鎂合金型材溫?zé)釓埩@彎成形的熱力耦合數(shù)值模擬

1、AZ31鎂合金型材溫?zé)釓埩@彎成形的熱力耦合數(shù)值模擬肖寒12，劉勁松13，張士宏12，張興國(guó)2（1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽(yáng)110016；2.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116085；3.沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159）摘要：采用三維彈塑性大變形熱力耦合有限元法，基于大型三維非線性軟件MSC.Marc，模擬了AZ31鎂合金型材溫?zé)釓埩@彎成形工藝。分析了繞彎成形過(guò)程中型材的應(yīng)力、等效應(yīng)變以及溫度分

2、布規(guī)律。模擬結(jié)果表明：型材彎曲成形之后橫截面切向應(yīng)力狀態(tài)從內(nèi)側(cè)到外側(cè)依次為“拉壓拉壓”，呈“N”形分布特征。型材外側(cè)等效塑性應(yīng)變最大，其值為0.132；內(nèi)側(cè)次之，為0.069；中間橫筋等效塑性應(yīng)變最小，為0.003。內(nèi)側(cè)和外側(cè)溫差在預(yù)拉伸結(jié)束、旋轉(zhuǎn)過(guò)程、旋轉(zhuǎn)結(jié)束和卸載回彈時(shí)依次為0.6517.2313.58和0.27℃。關(guān)鍵詞：AZ31鎂合金；型材；張力繞彎成形；數(shù)值模擬；熱力耦合Thermomechanicalcouplednumer

3、icalsimulationstudyonwarmtensionrotationbendingofextrudedAZ31magnesiumalloyprofileXiaoHan12LiuJinsong13ZhangShihong12ZhangXingguo2(1.InstituteofMetalResearchChineseAcademyofSciencesShenyang1100162.SchoolofMaterialsScienc

4、eEngineeringDalianUniversityofTechnologyDalian1160853.SchoolofMaterialsScienceEngineeringShenyangLigongUniversityShenyang110159)Abstract:Basedonthethreedimensionalelastoplasticthermomechanicalcoupledfiniteelementmethodth

5、ewarmtensionrotationbendingprocessofAZ31magnesiumwassimulatedbyusingthe3DnonlinearsoftwarepackageMSC.Marc.Thedistributionofstressequivalentstraintemperatureoftheprofileduringthebendingprocesswereanalyzed.Theresultsindica

6、tethattangentialstressofcrosssectionofprofilefromtheinsidetooutsidesurfaceafterbendingwasshownas“tensilecompressiontensilecompression“whichappearedas“N“shaped.Equivalentplasticstrainofoutsidesurfaceofprofileismaximumwhic

7、his0.132theinnersurfaceislowerwhichis0.069thedleribofprofileisminimumis0.003.Temperaturedifferencesbetweeninsideoutsideprofileattheendoftheprestretchingrotaryprocesstheendofrotationafterunloadingwere0.6517.2313.580.27℃re

8、spectively.Keywds:AZ31magnesiumalloyprofiletensionrotationbendingnumericalsimulationthermomechanicalcoupled1引言鎂合金型材彎曲件作為一種典型的輕量化結(jié)構(gòu)件，在航空、航天、汽車、軌道交通等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景[13]。傳統(tǒng)的彎曲工藝成形鎂合金型材容易產(chǎn)生橫截面形狀畸變，局部斷裂，回彈量大等問(wèn)題，對(duì)于截面形狀復(fù)雜的型材產(chǎn)生的問(wèn)題更嚴(yán)

9、重。繞彎法是一種成形效率、精度較高的彎曲工藝，用該方法生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，質(zhì)量較高。采用有限元法研究繞彎成形規(guī)律和優(yōu)化工藝已成為研究熱點(diǎn)。唐建陽(yáng)等人[4]分析了型材繞彎成形中的有限元建模、加載方式等對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，研究了側(cè)壓力和后張力對(duì)繞彎成形幾何缺陷的影響規(guī)律，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比得出兩者數(shù)值較接近，并具有一致的規(guī)律性。溫彤等人[5]分析了管材繞彎成形的受力與變形特點(diǎn)，應(yīng)用彈塑性有限元法分析了繞彎的工藝參數(shù)對(duì)成形后管材壁厚變化及截

10、面橢圓度的影響。唐鼎等人[6]建立了基于顯示算法的銅管彎管有限元仿真模型，研究了薄壁銅管繞彎成形中不同形式的芯棒對(duì)厚度減薄和截面畸變的影響，并對(duì)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Zhao等人[78]建立了鋁合金薄壁矩形管繞彎成形過(guò)程的三維有限元模型，對(duì)薄壁矩形管繞彎成形過(guò)程失穩(wěn)起皺及工藝參數(shù)對(duì)失穩(wěn)起皺的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析了芯棒、壓塊、防皺塊及彎曲模與管坯間隙對(duì)管坯截面畸變的影響規(guī)律。Yu等人[9]利用數(shù)值模擬研究了U型LY12M鋁合金繞彎

11、成形性能，分析了側(cè)壓力和拉伸力對(duì)型材彎曲尺寸精2.3邊界條件及載荷控制型材繞彎成形過(guò)程中，彎曲模固定不動(dòng)；動(dòng)模繞著彎曲模的圓心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使型材彎曲成形，成形結(jié)束后動(dòng)模沿著型材的法向卸載，模擬回彈過(guò)程。動(dòng)模的運(yùn)動(dòng)采用Table進(jìn)行控制。模具和型材的接觸設(shè)定好之后，就需要設(shè)定加載條件，包括初始條件和邊界條件。初始條件：設(shè)定型材的加熱溫度。邊界條件：設(shè)定型材的約束條件，包括四類：第一類：端部約束，將型材固定端所有的節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上自

12、由度固定；第二類：對(duì)稱約束，將對(duì)稱面施加對(duì)稱約束；第三類：熱邊界約束，一方面添加除對(duì)稱面外的所有面域，用于定義型材與周圍環(huán)境的熱交換；另一方面是將所有的單元施加變形熱，也即塑性變形產(chǎn)生熱的邊界條件；第四類：張力約束，將型材另一端的面施加張力，張力約束的作用是首先在彎曲前使型材產(chǎn)生一定伸長(zhǎng)量，并使型材產(chǎn)生拉應(yīng)力；其次型材彎曲過(guò)程中張力保持不變。3模擬結(jié)果及討論3.1應(yīng)力分布AZ31鎂合金型材繞彎成形不同時(shí)刻的切向主應(yīng)力如圖2所示，圖2(a

13、)為預(yù)拉伸結(jié)束時(shí)切向主應(yīng)力云圖，型材切向主應(yīng)力為拉應(yīng)力；圖2(b)為拉伸結(jié)束，動(dòng)模旋轉(zhuǎn)過(guò)程的某一時(shí)刻切向主應(yīng)力云圖，型材外側(cè)切向應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為203MPa，內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力，最大值為268MPa。圖2(c)為動(dòng)模旋轉(zhuǎn)結(jié)束之后切向主應(yīng)力云圖，型材外側(cè)仍是拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力，應(yīng)力值大小與圖2(b)相比變化不大；圖2(d)為繞彎成形結(jié)束，卸載回彈之后切向主應(yīng)力云圖，型材卸載回彈過(guò)程中外側(cè)拉應(yīng)力逐漸減小并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力也逐漸減小

14、并轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，卸載結(jié)束之后最大拉應(yīng)力值為160MPa，最大壓應(yīng)力為176MPa，切向應(yīng)力值的絕對(duì)值比卸載回彈之前要小。圖2型材繞彎成形過(guò)程切向應(yīng)力的變化：(a)拉伸結(jié)束；(b)旋轉(zhuǎn)過(guò)程；(c)旋轉(zhuǎn)結(jié)束；(d)回彈結(jié)束Fig.2Variationoftangentialstressduringrotarybendingprocess(a)theendofpretension(b)rotaryprocess(c)theendofrotat